(57)【要約】【課題】従来のレーザ距離測定にあっては、測定の高精度化と高速化の両立を図ることが困難であった。【解決手段】送信レーザ光ＬＴのパルス信号を所定周期で変化させてこれを低周波周期信号とし、目標Ｔに照射した送信レーザ光ＬＴの低周波周期信号と目標Ｔで反射した受信レーザ光ＬＲの低周波周期信号に基いて概略的な一次距離データを得ると共に、送信レーザ光ＬＴのパルス信号と受信レーザ光ＬＲのパルス信号に基いて詳細な二次距離データを得た後、一次距離データと二次距離データを合成して目標Ｔまでの距離を算出するレーザ距離測定方法とし、測定の高精度化及び高速化の両方を実現し得るものとした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス状の送信レーザ光と目標で反射した受信レーザ光の時間差に基いて目標までの距離を測定するに際し、送信レーザ光のパルス信号を所定周期で変化させてこれを低周波周期信号とし、送信レーザ光の低周波周期信号と受信レーザ光の低周波周期信号に基いて一次距離データを取得し、送信レーザ光のパルス信号と受信レーザ光のパルス信号に基いて二次距離データを取得した後、一次距離データと二次距離データを合成して目標までの距離を算出することを特徴とするレーザ距離測定方法。
【請求項２】
低周波周期信号が、送信レーザ光のパルス信号の波高を所定周期で変調した信号であって、送信レーザ光の低周波周期信号と受信レーザ光の低周波周期信号の時間差に基いて一次距離データを取得し、送信レーザ光のパルス信号と受信レーザ光のパルス信号の位相差に基いて二次距離データを取得することを特徴とする請求項１に記載のレーザ距離測定方法。
【請求項３】
送信レーザ光の送信タイミングを決定するためのパルス状の基準クロック信号を設定すると共に、低周波周期信号が、基準クロック信号に同期した送信レーザ光のパルス信号を所定時間送信して所定時間停止させる動作を一周期とする信号であって、送信レーザ光の低周波周期信号の第１パルス信号を送信してから受信レーザ光の低周波周期信号の第１パルス信号を受信するまでの間のパルス信号数を計測して、その計測値に基いて目標までの一次距離データを取得し、基準クロック信号と受信レーザ光のパルス信号との位相差に基づいて二次距離データを取得することを特徴とする請求項１に記載のレーザ距離測定方法。
【請求項４】
送信レーザ光の送信開始と同時に低周波周期信号中の停止時間に相当する時間のレンジゲートを設定し、このレンジゲート内で受信レーザ光を受信した場合のみに一次距離データの取得を実行することを特徴とする請求項３に記載のレーザ距離測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を用いて目標までの距離を測定するのに用いられるレーザ距離測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ距離測定は、目標に向けてパルス状の送信レーザ光を照射すると共に、目標で反射した受信レーザ光を受信し、送信レーザ光と受信レーザ光の時間差及び光速に基いて目標までの距離を測定するものである。
【非特許文献１】『最新防衛技術大成』株式会社Ｒ＆Ｄプランニング、昭和６０年２月１１日、ｐ．２８７，２８８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記したようなレーザ距離測定では、測定の高精度化や高速化が常に要求されており、測定の高精度化を図るには、測定を繰り返して平均化する方法があった。
【０００４】
また、上記の測定の高精度化に加えて測定の高速化を図るには、送信レーザ光のパルス信号の周波数を高くして、単位時間当たりの測定の繰り返し数を増加させることが考えられる。しかし、測定しようとする最大距離をレーザ光が往復する時間に対して、その時間以上にパルス信号の周波数を高くすると、上記の往復時間内に送信レーザ光と受信レーザ光の各パルス信号が複数混在して絶対値計測ができなくなることがあった。
【０００５】
このため、従来のレーザ距離測定においては、測定の高精度化と高速化の両立を図るうえでの改善が要望されていた。
【０００６】
本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、測定の高精度化及び高速化の両方を実現することができるレーザ距離測定方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のレーザ距離測定方法は、パルス状の送信レーザ光と目標で反射した受信レーザ光の時間差に基いて目標までの距離を測定するに際し、送信レーザ光のパルス信号を所定周期で変化させてこれを低周波周期信号とし、送信レーザ光の低周波周期信号と受信レーザ光の低周波周期信号に基いて一次距離データを取得し、送信レーザ光のパルス信号と受信レーザ光のパルス信号に基いて二次距離データを取得した後、一次距離データと二次距離データを合成して目標までの距離を算出することを特徴としている。
【０００８】
なお、低周波周期信号とは、上述の如くパルス信号を所定周期で変化させたものであることから、パルス信号の周波数よりも低周波数になることを意味しており、特定の周波数域の周期信号を示すものではない。
【０００９】
また、本発明のレーザ距離測定方法は、より好ましい実施形態として、低周波周期信号が、送信レーザ光のパルス信号の波高を所定周期で変調した信号であって、送信レーザ光の低周波周期信号と受信レーザ光の低周波周期信号の時間差に基いて一次距離データを取得し、送信レーザ光のパルス信号と受信レーザ光のパルス信号の位相差に基いて二次距離データを取得することを特徴としている。
【００１０】
さらに、本発明のレーザ距離測定方法は、より好ましい実施形態として、送信レーザ光の送信タイミングを決定するためのパルス状の基準クロック信号を設定すると共に、低周波周期信号が、基準クロック信号に同期した送信レーザ光のパルス信号を所定時間送信して所定時間停止させる動作を一周期とする信号であって、送信レーザ光の低周波周期信号の第１パルス信号を送信してから受信レーザ光の低周波周期信号の第１パルス信号を受信するまでの間のパルス信号数を計測して、その計測値に基いて目標までの一次距離データを取得し、基準クロック信号と受信レーザ光のパルス信号との位相差に基づいて二次距離データを取得することを特徴としている。
【００１１】
さらに、本発明のレーザ距離測定方法は、より好ましい実施形態として、送信レーザ光の送信開始と同時に低周波周期信号中の停止時間に相当する時間のレンジゲートを設定し、このレンジゲート内で受信レーザ光を受信した場合のみに一次距離データの取得を実行することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のレーザ距離測定方法は、送信レーザ光のパルス信号を所定周期で変化させた低周波周期信号、例えば、パルス信号の波高を所定周期で変調した低周波周期信号や、パルス信号を所定時間送信して所定時間停止させる動作を一周期とする低周波周期信号を用いることで、一次距離データである概略的な距離データを取得すると共に、パルス信号を用いることで、二次距離データである詳細な距離データを取得することとなり、これらの距離データを合成して目標までの距離を算出することにより、測距レートを低下させることなく高精度な測定を行うことができる。
【００１３】
また、当該レーザ距離測定方法は、当然のことながらパルス信号の周波数よりも低周波周期信号の周波数が低いものとなるので、送信レーザ光のパルス信号の周波数を高くしても、測定しようとする最大距離をレーザ光が往復する時間内に複数の低周波周期信号が混在することはなく、これにより一次距離データの取得を確実に行ったうえで二次距離データを取得して絶対値計測を行うことができる。
【００１４】
さらに、当該レーザ距離測定方法は、測定を繰り返して平均化することで測定精度をより一層高めることができる一方で、上記した測定の高精度化に伴って単位時間当たりの測定の繰り返し数を減少させることも可能となり、これにより測定の高速化を実現することができる。したがって、本発明のレーザ距離測定方法によれば、測定の高精度化及び高速化を両方を実現することが可能となる。
【００１５】
さらに、当該レーザ距離測定方法は、とくに、レーザ光のパルス信号を所定時間送信して所定時間停止させる動作を一周期とする低周波周期信号を用いて一次距離データを取得する場合に、低周波周期信号中の停止時間に相当する時間のレンジゲート内で受信レーザ光を受信した場合のみに一次距離データの取得を実行することにより、測定しようとする最大距離をレーザ光が往復する時間内に複数の低周波周期信号が混在するような事態を確実に阻止することができる。
【実施例】
【００１６】
図１は、本発明のレーザ距離測定方法に適用可能なレーザ距離測定装置を説明する図である。
【００１７】
レーザ距離測定装置は、概要を説明すると、レーザ光の送信系として、レーザダイオード１、レーザダイオード駆動回路２、高周波用クロック回路３、及び低周波用クロック回路４を備えており、目標Ｔに向けてパルス状の送信レーザ光ＬＴを照射する。
【００１８】
また、レーザ距離測定装置は、レーザ光の受信系として、受光素子（ＡＰＤ）５、プリアンプ６、高周波用バンドパスフィルタ７、及び低周波用バンドパスフィルタ８を備えており、目標Ｔで反射した受信レーザ光ＬＲを受光する。
【００１９】
さらに、レーザ距離測定装置は、信号処理系として、高周波用直交検波回路９、低周波用直交検波回路１０、及び演算処理回路１１を備えており、送信レーザ光ＬＴと受信レーザ光ＬＲとの時間差（位相差）及び光速に基いて目標Ｔまでの距離を算出する。
【００２０】
ここで、レーザ光の送信系において、高周波用クロック回路３は、レーザダイオード駆動回路２に対して、図２の上段に示すパルス状の基準クロック信号を出力するものであって、この実施例では、基準クロック信号の周波数を５０ＭＨｚとしている。
【００２１】
低周波用クロック回路４は、レーザダイオード駆動回路２に対して、送信レーザ光ＬＴのパルス信号を所定周期で変化させるものであり、この実施例では、パルス信号の波高を正弦波状の周期に変調してこれを低周波周期信号とすると共に、この低周波周期信号の周波数を７５０ｋＨｚとしている。この周波数は目標までの最大距離が約２００ｍである場合に対応する。
【００２２】
これにより、レーザダイオード１から発振される送信レーザ光ＬＴは、図２の中段に示すように、周波数５０ＭＨｚのパルス信号であると同時に、パルス信号の波高が正弦波状に変調された周波数７５０ｋＨｚの低周波周期信号を含むものとなる。なお、例示した周波数の場合、低周波周期信号の一周期中には６６個のパルス信号が含まれる。
【００２３】
また、レーザ光の受信系において、高周波用バンドパスフィルタ７は、プリアンプ６で増幅した受信レーザ光ＬＲの信号中から高周波成分である５０ＭＨｚの信号（パルス信号）を取り出すものである。
【００２４】
低周波用バンドパスフィルタ８は、プリアンプ６で増幅した受信レーザ光ＬＲの信号中から低周波成分である７５０ｋＨｚの信号（低周波周期信号）を取り出すものである。
【００２５】
さらに、信号処理系において、高周波用直交検波回路９は、高周波用バンドパスフィルタ７で取り出した高周波成分の信号（パルス信号）と、高周波用クロック３の基準クロック信号とを比較し、その位相差及び光速に基いて後記する二次距離データを算出する。
【００２６】
低周波用直交検波回路１０は、低周波用バンドパスフィルタ８で取り出した低周波成分の信号（低周波周期信号）と、低周波用クロック４の出力信号とを比較し、その時間差及び光速に基いて後記する一次距離データを算出する。
【００２７】
演算処理回路１１は、高周波用直交検波回路９からの二次距離データと、低周波用直交検波回路１０からの一次距離データとを合成して、目標Ｔまでの距離を算出する。
【００２８】
次に、上記のレーザ距離測定装置を用いたレーザ距離測定方法を説明する。
【００２９】
当該レーザ距離測定方法では、レーザ光の送信系により、低周波周期信号を含むパルス状の送信レーザ光ＬＴを目標Ｔに向けて照射し、目標Ｔからの反射光（散乱光）すなわち受信レーザ光ＬＲをレーザ光の受信系で受光する。
【００３０】
このとき、受信レーザ光ＬＲは、図２の下段に示すように、送信レーザ光ＬＴと同様に低周波周期信号を含むパルス状の信号であると共に、送信レーザ光ＬＴに対して目標Ｔまでの距離に相当する時間差（位相差）を有するものとなる。なお、図２では、理解し易くする都合上、送信レーザ光ＬＴに対する受信レーザ光ＬＲのずれを大きく示している。
【００３１】
次に、当該レーザ距離測定方法では、レーザ光の受信系において、受信レーザ光ＬＲを受光して増幅し、受信レーザ光ＬＲの信号中の高周波成分であるパルス信号と低周波成分である低周波周期信号を個別に取り出す。
【００３２】
その後、低周波用直交検波回路１０において、送信レーザ光ＬＲの低周波周期信号と同等である低周波用クロック４の出力信号と、受信レーザ光ＬＲの低周波周期信号とを比較し、双方の時間差（位相差）及び光速に基いて概略的な距離データである一次距離データを得る。
【００３３】
一方、高周波用直交検波回路９においては、図３の上段に示す送信レーザ光ＬＴのパルス信号と同等である高周波用クロック３の基準クロック信号Ｐ１〜Ｐ４と、図３の中段に示す受信レーザ光ＬＲのパルス信号ｐ１〜ｐ４とを比較し、図３の下段に示す双方の位相差及び光速に基いて詳細な距離データである二次距離データを得る。
【００３４】
そして、当該レーザ距離測定方法では、演算処理回路１１において、概略的な距離データである一次距離データと、詳細な距離データである二次距離データとを合成し、目標Ｔまでの距離を算出する。
【００３５】
このように、上述したレーザ距離測定方法によれば、パルス信号の波高を変調して成る低周波周期信号を用いて取得した概略的な距離データである一次距離データと、パルス信号を用いて取得した詳細な距離データである二次距離データとを合成して、目標Ｔまでの距離を算出することで、測距レートを低下させることなく高精度な測定を行うことができる。
【００３６】
また、当該レーザ距離測定方法は、基準クロック信号の周波数を変更して、送信レーザ光ＬＴのパルス信号の周波数を高く設定し、この際、測定しようとする最大距離をレーザ光が往復する時間内に送信レーザ光ＬＴと受信レーザ光ＬＲの各パルス信号が複数混在することになっても、パルス信号よりも低周波周期信号の周波数の方が明らかに低いので、上記の往復時間内に複数の低周波周期信号が混在することはなく、これにより一次距離データの取得を確実に行ったうえで二次距離データを取得して、目標Ｔまでの距離の絶対値計測を行うことができる。
【００３７】
さらに、当該レーザ距離測定方法は、上記の測定を繰り返して平均化することで測定精度をより一層高めることができる一方で、上記した測定の高精度化に伴って単位時間当たりの測定の繰り返し数を減少させることも可能となり、これにより測定の高速化を実現することができ、また、送信レーザ光ＬＴを所定範囲内に走査して距離画像を作成する場合には、その画像作成の高速化に貢献することができる。
【００３８】
図４は、本発明のレーザ距離測定方法に適用可能な他のレーザ距離測定装置を説明する図である。
【００３９】
レーザ距離測定装置は、概要を説明すると、レーザ光の送信系として、レーザダイオード２１、レーザダイオード駆動回路２２、パルス状の基準クロック信号を発生するクロック回路２３、及びレンジゲートを設定するゲート回路２４を備えており、目標Ｔに向けてパルス状の送信レーザ光ＬＴを照射する。
【００４０】
また、レーザ距離測定装置は、レーザ光の受信系として、受光素子２５、受信レーザ光のパルス信号を増幅するプリアンプ２６、及びコンパレータ２７を備えており、目標Ｔで反射した受信レーザ光ＬＲを受光する。コンパレータ２７は、プリアンプ２６の出力と基準電圧を比較し、プリアンプ２６の出力が基準電圧を上回った時点でデジタルレベル（例えば５Ｖ）を立ち上げるものである。
【００４１】
さらに、レーザ距離測定装置は、信号処理系として、基準クロック信号とレンジゲートを入力する送信系側のマルチバイブレータ２８、受信レーザ光ＬＲのパルス信号を入力する受信系側のマルチバイブレータ２９、各マルチバイブレータ２８，２９からの信号を論理要素（ＥＸＯＲ）３０を介して入力するカウンタ３１、基準クロック信号と受信レーザ光ＬＲのパルス信号の位相差を比較する位相検波回路３２、位相検波回路３２からのアナログ信号をデジタル化するＡＤコンバータ３３を備えている。
【００４２】
また、信号処理系において、カウンタ３１には、クロック回路２３の基準クロック信号を直接入力するようにしてある。そして、カウンタ３１及びＡＤコンバータ３３は、コネクタ３４を介して、後記する一次距離データと二次距離データを合成する演算処理回路３５に接続してある。
【００４３】
ここで、クロック回路２３は、図５（Ａ）に示すパルス状の基準クロック信号を発生すると共に、レーザダイオード駆動回路２２に対して、送信レーザ光ＬＴのパルス信号を所定周期で変化させるものであり、さらにゲート回路２４を介することにより、基準クロック信号に同期したレーザ光ＬＴのパルス信号を所定時間送信して所定時間停止させる動作を一周期とする低周波周期信号を作り出している。また、この間に送信されるレーザ光ＬＴのパルス数をＮ３個とする。
【００４４】
なお、この実施例では、基準クロック信号の周波数を５０ＭＨｚとし、低周波周期信号の周波数を５００ｋＨｚ（２μｓ）とし、低周波周期信号中の送信時間を６６６ｎｓとし、停止時間を１．３３４μｓとしている。この設定は、目標までの最大距離が約２００ｍである場合に対応する。
【００４５】
これにより、レーザダイオード１から発振される送信レーザ光ＬＴは、図５（Ｂ）に示すように、周波数５０ＭＨｚのパルス信号であると同時に、パルス信号の送信と停止を一周期とする周波数５００ｋＨｚの低周波周期信号を含むものとなる。したがって、この間に送信されるパルス数Ｎ３は３３個となる。
【００４６】
マルチバイブレータ２８は、図５（Ｄ）に示すように、送信レーザ光ＬＴの送信開始と同時に低周波周期信号中の停止時間（１．３３４μｓ）に相当する時間のレンジゲートを設定するものである。
【００４７】
カウンタ３１は、図５（Ｅ）に示すように、送信レーザ光ＬＴの送信開始と同時にＯＮとなって、図５（Ｆ）に示すように、送信レーザ光ＬＴのパルス信号（基準クロック信号のパルス信号）の数を計測し、図５（Ｂ）に示す受信レーザ光ＬＴが入力された時点でＯＦＦとなって、パルス信号数の計測を停止する。
【００４８】
次に、上記のレーザ距離測定装置を用いたレーザ距離測定方法を説明する。
【００４９】
当該レーザ距離測定方法では、レーザ光の送信系により、低周波周期信号を含むパルス状の送信レーザ光ＬＴを目標Ｔに向けて照射し、目標Ｔからの反射光（散乱光）すなわち受信レーザ光ＬＲをレーザ光の受信系で受光することとなり、この際、カウンタ３１において、送信レーザ光ＬＴの低周波周期信号の第１パルス信号を送信してから、受信レーザ光ＬＲの低周波周期信号の第１パルス信号を受信するまでの間のパルス信号数を計測する。
【００５０】
つまり、パルス信号の周波数（５０ＭＨｚ）は予め判っているので、演算処理回路３５においては、パルス信号数の計測値（Ｎ１）に基いて目標Ｔまでの概略的な距離データである一次距離データを取得することができる。
【００５１】
また、当該レーザ距離測定方法では、位相検波回路３２において、図５（Ｇ）に示すように、基準クロック信号のパルス信号と受信レーザ光ＬＲのパルス信号との位相差（ΔＴｉ）を比較し、演算処理回路３５において、上記の位相差（ΔＴｉ）と光速（ｃ）に基づいて、詳細な距離データである二次距離データを取得する。
【００５２】
そして、演算処理装置３５は、上記の一次距離データと二次距離データとに基き、以下の式を用いて目標Ｔまでの距離Ｒ１を算出する。
【００５３】
【数１】
2007114002.tif 000003
【００５４】
このように、上述したレーザ距離測定方法によれば、パルス信号の送信と停止を一周期とする低周波周期信号とパルス信号数の計測値を用いて取得した概略的な距離データである一次距離データと、パルス信号を用いて取得した詳細な距離データである二次距離データとを合成して、目標Ｔまでの距離を算出することで、先の実施例と同様に、測距レートを低下させることなく目標Ｔまでの距離の絶対値計測を行うことができると共に、測定の高速化も可能となる。
【００５５】
また、当該レーザ距離測定方法では、先述したように、送信レーザ光ＬＴの送信開始と同時に低周波周期信号中の停止時間に相当する時間（１．３３４μｓ）のレンジゲートを設定し、このレンジゲート内で受信レーザ光ＬＲを受信した場合のみに一次距離データの取得を実行する。
【００５６】
これにより、測定しようとする最大距離をレーザ光が往復する時間内に複数の低周波周期信号が混在する事態を確実に阻止することができ、一次距離データをより確実に取得することができる。
【００５７】
なお、この実施例のように測定しようとする目標までの最大距離を２００ｍとした場合は、上記の如くレンジゲートを設定するほかに、カウンタ３１が２００ｍに相当するパルス信号数である６６以上を計測した場合に、一次距離データの取得を実行しないようにすることも良く、同様の効果を得ることができる。
【００５８】
また、本発明のレーザ距離測定方法は、その詳細な構成や適用可能なレーザ距離測定装置が上記各実施例に限定されるものではない。さらに、低周波周期信号は、パルス信号の周波数と当該低周波周期信号の周波数を設定すると一周期中に含まれるパルス信号の数が決まるので、上記各実施例のほかに、一周期中のパルス信号のうちの少なくとも１つのパルス信号の波高等を変化させたものとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明のレーザ距離測定方法に適用可能なレーザ距離測定装置の一例を示す説明図である。
【図２】基準クロック信号、送信レーザ光のパルス信号及び受信レーザ光のパルス信号を示す説明図である。
【図３】波高を変調した送信レーザ光のパルス信号と基準クロック信号、受信レーザ光のパルス信号及びパルス信号の時間差を示す説明図である。
【図４】本発明のレーザ距離測定方法に適用可能なレーザ距離測定装置の他の例を示す説明図である。
【図５】基準クロック信号（Ａ）、送信レーザ光信号（Ｂ）、受信レーザ光信号（Ｃ）、ゲート信号（Ｄ）、カウンタＯＮ／ＯＦＦ信号（Ｅ）、計測値（Ｆ）及び基準クロック信号と受信レーザ信号との比較（Ｇ）を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６０】
ＬＲ  受信レーザ光
ＬＴ  送信レーザ光
Ｔ    目標
【図１】
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【図２】
2007114002.tif 000005
【図３】
2007114002.tif 000006
【図４】
2007114002.tif 000007
【図５】
2007114002.tif 000008